DE202022102968U1 - Experimental device with which an energy storage based doubly fed wind turbine participates in the primary frequency modulation of the system - Google Patents

Abstract

Versuchsgerät, mit dem eine energiespeicherbasierte doppelt gespeiste Windkraftanlage an der primären Frequenzmodulation des Systems teilnimmt, dadurch gekennzeichnet, dass es eine doppelt gespeiste simulierte Windkraftanlage, doppelt gespeiste Lüfterstromrichterschränke und Superkondensatoren.

Experimental device with which an energy storage based doubly fed wind turbine participates in the primary frequency modulation of the system, characterized in that it includes a doubly fed simulated wind turbine, doubly fed fan converter cabinets and supercapacitors.

Description

TECHNISCHES GEBIETTECHNICAL AREA

Das vorliegende Gebrauchsmuster betrifft das technische Gebiet der elektronischen Ausrüstung, insbesondere ein Versuchsgerät, mit dem eine auf dem Energiespeicher basierte doppelt gespeiste Windkraftanlage an der primären Frequenzmodulation des Systems teilnimmt.The present utility model relates to the technical field of electronic equipment, in particular an experimental device with which a double-fed wind turbine based on the energy storage device participates in the primary frequency modulation of the system.

STAND DER TECHNIKSTATE OF THE ART

Seit den letzten Jahren stehen die Probleme wie Energiekrise, Umweltverschmutzung immer hervor. Aufgrund der Förderung der Entwicklung und Nutzung erneuerbarer Energien zieht die verteilte Erzeugungstechnologie (Distributed Generation, DG) immer mehr Aufmerksamkeit auf sich, sie hat die Vorteile weniger Umweltverschmutzung, einer hoher Nutzungsrate der Energie und eines flexiblen Einbauorts. Mit der kontinuierlichen Zunahme der Durchdringungsrate der verteilten Stromquelle hat dies jedoch große negative Auswirkungen auf die Planung und den Betrieb des Stromnetzes.In recent years, the problems such as energy crisis, environmental pollution are always prominent. Due to the promotion of the development and use of renewable energy, the distributed generation technology (DG) attracts more and more attention, it has the advantages of less pollution, high utilization rate of energy and flexible installation location. However, with the continuous increase in the penetration rate of the distributed power source, it has a great negative impact on the design and operation of the power grid.

Die meisten verteilten Stromquellen haben keine Trägheitseigenschaften, und die plötzliche Laständerung bewirkt, dass sich die Ausgangsfrequenz des Wechselrichters abrupt ändert, was der Frequenzstabilität des Microgrid-Systems nicht zuträglich ist. Um das Problem zu lösen, wird ein Gerät, mit dem eine energiespeicherbasierte doppelt gespeiste Windkraftanlage an der primären Frequenzmodulation des Systems teilnimmt, zur Verfügung gestellt.Most distributed power sources have no inertia characteristics, and the sudden load change will cause the inverter output frequency to change abruptly, which is not conducive to the frequency stability of the microgrid system. To solve the problem, a device that allows an energy storage-based doubly-fed wind turbine to participate in the system's primary frequency modulation is provided.

INHALT DES VORLIEGENDEN GEBRAUCHSMUSTERESCONTENT OF PRESENT UTILITY MODEL

Das vorliegende Gebrauchsmuster zielt darauf ab, das Problem der bestehenden doppelt gespeisten Windkraftanlagen, dass sie nicht an der primären Frequenzmodulation des Systems teilnehmen kann, zu lösen. Die spezifische technische Lösung ist wie folgt.The present utility model aims to solve the problem of the existing double-fed wind turbines that they cannot participate in the primary frequency modulation of the system. The specific technical solution is as follows.

Ein Versuchsgerät, mit dem eine energiespeicherbasierte doppelt gespeiste Windkraftanlage an der primären Frequenzmodulation des Systems teilnimmt, dadurch gekennzeichnet, dass es den optimalen Verbindungsmodus des Superkondensatormoduls nutzt, um die Zuverlässigkeit dieses Geräts zu verbessern und die durch den Kapazitätsdispersionsgrad erzeugten Auswirkungen zu verringern. Darüber hinaus nimmt der Stromrichterschrank die Struktur an, in der die Erregungssteuerung und der netzseitige Wechselrichters integriert sind. Der Hauptzweck der PWM-Erregung und Frequenzumwandlung besteht darin, den Erregerstrom für die Rotorwicklung bereitzustellen. Der netzseitige Stromrichter ist eine bidirektionale Stromversorgung, die die elektrische Energie umkehren oder gleichrichten kann.An experimental device with which an energy storage-based doubly-fed wind turbine participates in the primary frequency modulation of the system, characterized in that it uses the optimal connection mode of the supercapacitor module to improve the reliability of this device and reduce the effects generated by the capacitance degree of dispersion. In addition, the converter cabinet adopts the structure in which the excitation controller and grid-side inverter are integrated. The main purpose of PWM excitation and frequency conversion is to provide the excitation current for the rotor winding. The line-side power converter is a bi-directional power supply that can reverse or rectify electrical energy.

Das Superkondensatormodul nimmt den Verbindungsmodus mit zuerst der Parallelschaltung und dann der Reihenschaltung mit guter Zuverlässigkeit an, und der Kapazitätsdispersionsgrad ist geringer, und dieses Array hat geringere Anforderungen an die Ausgleichsfähigkeit der Spannungsausgleichsschaltung.The supercapacitor module adopts the connection mode with first the parallel connection and then the series connection, with good reliability, and the degree of capacitance dispersion is lower, and this array has lower demands on the balancing ability of the voltage balancing circuit.

Der DSP-Chip des Steuergeräts basiert auf DSP 28335 der Firma TI. Die Hauptschaltung des Rotors und des netzseitigen Stromrichters nimmt eine dreiphasige Vollbrückentopologie an, wobei das Schaltgerät Mitsubishi IPM annimmt.The DSP chip of the control unit is based on the DSP 28335 from TI. The main circuit of the rotor and the line-side power converter adopts a three-phase full-bridge topology, with the switching device adopting Mitsubishi IPM.

Die Stromversorgungsschaltung des Steuerteils nimmt den dreipoligen Spannungsreglerchip der Serien 78xx und 79xx, um eine Gleichstromversorgung zu erzeugen.The power supply circuit of the control part adopts the 78xx and 79xx series three-pin voltage regulator chip to generate a DC power supply.

Das vorliegende Gebrauchsmuster hat folgende Vorteile: das Design der Gerätestruktur ist wissenschaftlich und vernünftig, die Leistungsfrequenz des verwendeten DSP-Steuerchips ist hoch und die Reaktionsgeschwindigkeit ist hoch, so dass die doppelt gespeiste Windkraftanlage die Fähigkeit zur primären Frequenzmodulation hat, was die Sicherheit und Stabilität des Stromnetzes verbessert.The present utility model has the following advantages: the device structure design is scientific and reasonable, the power frequency of the DSP control chip used is high, and the response speed is high, so that the double-fed wind turbine has the ability of primary frequency modulation, which improves the safety and stability of the Improved power grid.

Figurenlistecharacter list

• 1 zeigt verschiedene Array-Modi von Superkondensatoren. 1 shows different array modes of supercapacitors.
• 2 zeigt eine schematische Strukturansicht eines Hardware-in-the-Loop-Physiksimulationsexperimentsystems. 2 12 shows a schematic structural view of a hardware-in-the-loop physics simulation experiment system.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNGDETAILED DESCRIPTION

Im Zusammenhang mit Figuren wird das vorliegende Gebrauchsmuster im Folgenden näher erläutert.The present utility model is explained in more detail below in connection with figures.

In 1 wird es angenommen, dass die Zuverlässigkeit jedes einzelnen Superkondensators a (0<a< 1) ist und unabhängig voneinander ist und keinen Einfluss aufeinander hat, und durch Berechnung wird es festgestellt, dass die Zuverlässigkeit unter Verwendung des in 1 (a) dargestellten Superkondensator-Energiespeicherarrays P1=1-(1-a^m)ⁿ ist und die Zuverlässigkeit unter der Verwendung des in 1(b) dargestellten Superkondensator-Energiespeicherarrays P2=(1-(1-a)ⁿ)^m ist. Aus den beiden Formeln ist es ersichtlich, dass, je größer die Werte von m und n sind, umso zuverlässiger der Verbindungmodus des letzteren ist. Wenn der Superkondensator mit der maximalen Kapazität und der minimalen Kapazität gleichzeitig im selben Reihenzweig erscheint, erreicht die Spannungsdifferenz des Superkondensators auf diesem Zweig das Maximum, so dass eine neue Herausforderung an die Spannungsausgleichsschaltung gestellt wird. Unter der Annahme, dass die Nennkapazität des Superkondensators C ist und der Dispersionsgrad der Kapazität d ist, ist der Bereich von d -10%-20%. Der Kapazitätsdispersionsgrad eines einzelnen Superkondensators wird durch d₁, d₂..., dmn dargestellt, und d₁ < d₂ <... < d_mn, dann ist die minimale Kapazität aller Superkondensatoren C_min=C(1+d₁), und die maximale Kapazität ist C_max=C(1+d_mn). In dem Modus mit zuerst der Reihenschaltung und dann der Parallelschaltung gemäß 1(a) ist die Wahrscheinlichkeit, dass Cmin und Cmax in demselben Serienzweig erscheinen, wie folgt: $P_3=C_n^1{C}_{mn}^1{C}_{mn-1}^1.$

In 1 it is assumed that the reliability of each individual supercapacitor is a (0<a<1) and is independent of each other and has no influence on each other, and by calculation it is found that the reliability is determined using the in 1 (a) illustrated supercapacitor energy storage arrays P1=1-(1-a ^m ) ⁿ and the reliability using the in 1(b) illustrated supercapacitor energy storage arrays P2=(1-(1-a) ⁿ ) ^m . From the two formulas it can be seen that the larger the values of m and n, the more reliable the Connection mode of the latter is. When the supercapacitor with the maximum capacity and the minimum capacity appears in the same series branch at the same time, the voltage difference of the supercapacitor on that branch reaches the maximum, so that a new challenge is presented to the voltage balancing circuit. Assuming that the rated capacitance of the supercapacitor is C and the degree of dispersion of the capacitance is d, the range of d is -10%-20%. The degree of capacitance dispersion of a single supercapacitor is represented by d ₁ , d ₂ ..., dmn, and d ₁ < d ₂ <... < d _mn , then the minimum capacitance of all supercapacitors is C _min =C(1+d ₁ ) , and the maximum capacitance is C _max =C(1+d _mn ). In the mode with first the series connection and then the parallel connection according to 1(a) the probability that Cmin and Cmax appear in the same series branch is as follows: $P_3=C_n^1{C}_{mn}^1{C}_{mn-1}^1.$

In dem Modus mit zuerst der Parallelschaltung und dann der Reihenschaltung kann das Superkondensatorarray als aus m in Reihen geschalteten Modulen zusammengesetzt angesehen werden, und die Kapazität jedes Moduls kann ausgedrückt werden als: $C_i={\displaystyle \sum _{j=1}^{j=n}{C}_{ij},i=\mathrm{1,2,}\dots ,m}.$

Die minimale Kapazität unter den m Modulen ist $C_{1\text{min}}=\left(1+\frac{d_1+d_2+\dots +d_n}{n}\right)\times n\times C.$

Die maximale Kapazität ist $C_{1\text{max}}=\left(1+\frac{d_{mn-n+1}+\dots +d_{mn}}{n}\right)\times n\times C.$

Aus der obigen Formel ist es ersichtlich, dass der Bereich des Kapazitätsdispersionsgrades des Superkondensators wie folgt ist: $\frac{d_1+d_2+\dots +d_n}{n}:\frac{d_{mn-n+1}+\dots +d_{mn}}{n}.$

Im Vergleich mit dem Dispersionsgrad (d_i, d_n) vor der Verbindung ist der Bereich deutlich reduziert und der Dispersionsgradbereich nimmt mit der Zunahme der Anzahl paralleler Zweige ab, bei diesem Verbindungsmodus beträgt die Wahrscheinlichkeit, dass C_1min und C_1max im selben Reihenzweig verbunden sind: $P_4=C_m^1{C}_{mn}^1{C}_{mn-1}^1\times \dots \times C_{mn-2n}^1.$

Aus der obigen Formel ist es ersichtlich, dass mit zunehmender Anzahl n paralleler Zweige die Wahrscheinlichkeit in dem Modus mit zuerst der Parallelschaltung und dann der Reihenschaltung, dass die maximale Kapazität und die minimale Kapazität auf demselben Reihenzweig viel kleiner als die die Wahrscheinlichkeit in dem Modus mit zuerst der Reihenschaltung und dann der Parallelschaltung ist, Zusammenfassend gesagt, werden mit dem Verbindungsmodus gemäß 1(b) eine gute Zuverlässigkeit und ein geringer Kapazitätsdispersionsgrad erzielt, deshalb hat dieses Array geringere Anforderungen an die Ausgleichsfähigkeit der Spannungsausgleichsschaltung.In the mode with first the parallel connection and then the series connection, the supercapacitor array can be viewed as composed of m modules connected in series, and the capacitance of each module can be expressed as: $C_i={\displaystyle \sum _{j=1}^{j=n}{C}_{ij},i=\mathrm{1.2,}...,m}.$

The minimum capacity among the m modules is $C_{1\text{at least}}=\left(1+\frac{{\mathrm{i.e}}_1+{\mathrm{i.e}}_2+...+{\mathrm{i.e}}_n}{n}\right)\times n\times C.$

The maximum capacity is $C_{1\text{Max}}=\left(1+\frac{{\mathrm{i.e}}_{mn-n+1}+...+{\mathrm{i.e}}_{mn}}{n}\right)\times n\times C.$

From the above formula, it can be seen that the range of the capacitance degree of dispersion of the supercapacitor is as follows: $\frac{{\mathrm{i.e}}_1+{\mathrm{i.e}}_2+...+{\mathrm{i.e}}_n}{n}:\frac{{\mathrm{i.e}}_{mn-n+1}+...+{\mathrm{i.e}}_{mn}}{n}.$

Compared with the degree of dispersion (d _i , d _n ) before the connection, the range is significantly reduced and the range of the degree of dispersion decreases with the increase in the number of parallel branches, with this connection mode the probability that C _1min and C _1max are connected in the same series branch are: $P_4=C_m^1{C}_{mn}^1{C}_{mn-1}^1\times ...\times C_{mn-2n}^1.$

From the above formula it can be seen that as the number n of parallel branches increases, the probability in the mode with first the parallel connection and then the series connection that the maximum capacity and the minimum capacity on the same series branch is much smaller than the probability in the mode with first is the series connection and then the parallel connection, in summary, are in accordance with the connection mode 1(b) achieves good reliability and a low degree of capacitance dispersion, therefore this array has lower demands on the balancing ability of the voltage balancing circuit.

2 zeigt eine schematische Strukturansicht eines Hardware-in-the-Loop-Physiksimulationsexperimentsystems. Die Hauptüberwachungsstation kommuniziert über die Ethernet- oder RS485-Schnittstelle mit der ABB-Wechselrichtersteuerung, der rotorseitigen Stromrichtersteuerung der doppelt gespeisten Maschine in der „Drehzahlregelung der Antriebsmaschine, Rotorerregungs-Wechselrichterschrank der doppelt gespeisten Maschine“, der netzseitigen Stromrichtersteuerung im „netzseitigen Stromrichterschrank“, der Stromrichtersteuerung und BMS im „Superkondensator-Energiespeicherschrank“ und bidirektionalen 40-kW-Stromnetzsimulator, um den Betriebsmodus und die Arbeitsparameter jeder Ausrüstung im System zu steuern und einzustellen sowie die Betriebszustandsparameter zu überwachen; der Drehzahlregelungs-Rotorerregungs-Frequenzumwandlungsschrank umfasst hauptsächlich zwei Teile: ABB-Frequenzumrichter, mit dem der Wechselstrom-Asynchronmotor dazu angetrieben wird, die Hochgeschwindigkeitswellendrehzahl und die mechanische Leistung der Windkraftanlage nach der Drehzahlerhöhung durch das Getriebe zu simulieren, durch die Anpassung oder automatische Steuerung der Frequenz des Frequenzumrichters werden verschiedene Windbedingungen in der Natur simuliert, der rotorseitige Erregungsfrequenzumrichter des doppelt gespeisten Motors wird für die Steuerung der Stromerzeugung mit variabler Drehzahl und konstanter Frequenz des doppelt gespeisten Motors verwendet; der netzseitige bidirektionale Stromrichterschrank wird verwendet, um Gleichstrom für den rotorseitigen Erregungsfrequenzumrichter bereitzustellen, und im untersynchronen Bereich nimmt der netzseitige Stromrichter die Leistung aus dem Stromnetz auf und richtet diese in den Gleichstrom um, um den Erregungsfrequenzumrichter mit Strom zu versorgen; im super-synchronen Bereich wird die DC-Leistung in das AC-Netz übertragen. Der Superkapazitäts-Energiespeicherungs- und Steuerschrank: dieses Gerät ist an beiden Enden des DC-Busses der doppelt gespeisten Windkraftanlage parallel geschaltet und zwischen dem Gleichrichtermodul und dem Wechselrichtermodul in Reihen geschaltet, wie in 2 dargestellt, um die Energiespeicherung und deren Steuerung für die bilaterale Regulierung der Trägheitsreaktion und der Primärfrequenz der doppelt gespeisten Windkraftanlage bereitzustellen. Die Frequenzänderung des Stromnetzes wird durch den Netzsimulator simuliert, und der Superkondensator nimmt an der primären Frequenzmodulation des Systems teil, indem er die Leistung über den netzseitigen Stromrichter durch die Droop-Steuerung an das Netz überträgt oder aufnimmt. 2 12 shows a schematic structural view of a hardware-in-the-loop physics simulation experiment system. The main monitoring station communicates via the Ethernet or RS485 interface with the ABB inverter control, the rotor-side converter control of the doubly-fed machine in the “speed control of prime mover, rotor-excitation inverter cabinet of the doubly-fed machine”, the line-side converter control in the “line-side converter cabinet”, the Power converter control and BMS in the "supercapacitor energy storage cabinet" and 40KW bidirectional power grid simulator to control and set the operating mode and working parameters of each equipment in the system, as well as monitor the operating state parameters; the speed control rotor excitation frequency conversion cabinet mainly includes two parts: ABB frequency converter, which is used to drive the AC asynchronous motor to simulate the high-speed shaft speed and mechanical power of the wind turbine after the speed increase through the gearbox, through the adjustment or automatic control of the frequency of the frequency converter, various wind conditions in nature are simulated, the rotor-side excitation frequency converter of the double-fed motor is used for controlling the variable speed constant-frequency power generation of the double-fed motor; the line-side bidirectional converter cabinet is used to provide DC power for the rotor-side excitation frequency converter, and in the subsynchronous region, the line-side converter takes the power from the power grid and converts it to DC to supply power to the excitation frequency converter; in the super-synchronous range, the DC power is transferred to the AC grid. The supercapacitance energy storage and control cabinet: this device is connected in parallel at both ends of the DC bus of the double-fed wind turbine and connected in series between the rectifier module and the inverter module, as in 2 presented to provide the energy storage and its control for the bilateral regulation of the inertial response and the primary frequency of the doubly fed wind turbine. The frequency change of the power grid is simulated by the grid simulator, and the supercapacitor participates in the primary frequency modulation of the system by transferring or absorbing the power to the grid through the grid-side power converter through the droop control.

Claims (3)

Versuchsgerät, mit dem eine energiespeicherbasierte doppelt gespeiste Windkraftanlage an der primären Frequenzmodulation des Systems teilnimmt, dadurch gekennzeichnet, dass es eine doppelt gespeiste simulierte Windkraftanlage, doppelt gespeiste Lüfterstromrichterschränke und Superkondensatoren.Experimental device with which an energy storage based doubly fed wind turbine participates in the primary frequency modulation of the system, characterized in that it includes a doubly fed simulated wind turbine, doubly fed fan converter cabinets and supercapacitors. Versuchsgerät, mit dem eine energiespeicherbasierte doppelt gespeiste Windkraftanlage an der primären Frequenzmodulation des Systems teilnimmt, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Analyse der optimale Verbindungsmodus des Superkondensatormoduls erhalten wird, um die Zuverlässigkeit dieses Geräts zu verbessern und die durch den Kapazitätsdispersionsgrad erzeugten Auswirkungen zu verringern.Experimental device with which an energy storage based doubly fed wind turbine participates in the primary frequency modulation of the system claim 1 , characterized in that the analysis obtains the optimal connection mode of the supercapacitor module in order to improve the reliability of this device and reduce the effects generated by the degree of capacitance dispersion. Versuchsgerät, mit dem eine energiespeicherbasierte doppelt gespeiste Windkraftanlage an der primären Frequenzmodulation des Systems teilnimmt, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromrichterschrank die Struktur annimmt, in der die Erregungssteuerung und der netzseitige Wechselrichters integriert sind, wobei der Hauptzweck der PWM-Erregung und Frequenzumwandlung darin besteht, den Erregerstrom für die Rotorwicklung bereitzustellen, und wobei der Stromrichterschrank im Inneren ein DSP 28335-Steuergerät annimmt, und wobei der netzseitige Stromrichter eine bidirektionale Stromversorgung ist, die die elektrische Energie umkehren oder gleichrichten kann, und wobei sein Steuergerät noch DSP 28335 annimmt, das Mitsubishi IPM-Leistungsmodul verwendet.Experimental device with which an energy storage based doubly fed wind turbine participates in the primary frequency modulation of the system claim 1 , characterized in that the converter cabinet adopts the structure in which the excitation controller and line-side inverter are integrated, the main purpose of PWM excitation and frequency conversion is to provide the rotor winding excitation current, and the converter cabinet inside adopts a DSP 28335 -Control unit adopts, and the line-side power converter is a bidirectional power supply, which can reverse or rectify the electric power, and its control unit still adopts DSP 28335, which uses Mitsubishi IPM power module.

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